Avec le passage d'un seul ordinateur à plusieurs PC à domicile, le modem a évolué vers un routeur. L'arrivée des ordinateurs portables compatibles 802.11 a transformé cet appareil en routeur sans fil. L'avènement de la voix sur IP (VoIP) a nécessité l'intégration de techniques avancées de qualité de service (QoS) et de gestion du trafic pour garantir la qualité vocale et connecter les équipements analogiques des utilisateurs. Actuellement, l'émergence de nouvelles architectures de réseau de transport de nouvelle génération, telles que les sous-systèmes multimédias IP (IMS), favorise la convergence des services cellulaires et des services par paquets. Les consommateurs bénéficieront ainsi d'une convergence des services fixes et mobiles, avec une transition fluide entre l'infrastructure cellulaire et l'infrastructure VoIP par paquets au sein de leur domicile.
Outre cette convergence fixe-mobile, on observe également le déploiement de véritables offres triple play, où les fournisseurs proposent des contenus voix, données et vidéo, notamment la vidéo à la demande et la télévision sur IP (IPTV). Ces nouveaux services vidéo sur infrastructure IP à domicile incluent également le déploiement de services d'enregistrement vidéo personnel en réseau (nPVR) destinés aux abonnés.
Face à ces nouvelles exigences, le modem classique s'est transformé en une véritable passerelle résidentielle convergente intégrée, occupant une place centrale dans la fourniture des services de nouvelle génération. Outre la prise en charge de la voix, des données, de la vidéo et de la convergence fixe-mobile, les passerelles résidentielles doivent offrir un haut niveau de sécurité afin de garantir l'intégrité de tous les contenus.
Un niveau de complexité accru :
les exigences de la maison connectée imposent aux passerelles résidentielles une plus grande complexité afin de garantir la flexibilité du fournisseur d’accès. Ce dernier déploie diverses technologies d’accès au dernier kilomètre, différant par leur bande passante et leur couverture. Ces technologies offrent des débits descendants allant de moins de 24 Mbit/s pour l’ADSL2/2+ à 2,4 Gbit/s pour le VDSL2 avec réseaux optiques passifs (EPON et GPON). Par conséquent, les systèmes de passerelles résidentielles doivent être évolutifs pour intégrer ces technologies d’accès tout en acheminant les paquets IP entre le réseau du fournisseur et les terminaux du réseau au sein du domicile.
Les réseaux de distribution de contenu à domicile sont essentiels pour les passerelles résidentielles. Un environnement sans fil est principalement pris en charge par la norme 802.11a/b/g/n. Cependant, différentes méthodes de distribution de contenu filaire à domicile existent, notamment les lignes électriques (HomePlug), les lignes téléphoniques en cuivre (HomePNA) et le câble coaxial (Multimedia over Coaxial ou MoCA). Avec la popularité croissante de la VoIP, les passerelles résidentielles doivent également intégrer des technologies d'établissement d'appel telles que SIP (Session Initiation Protocol), H.323, MGCP (Media Gateway Control Protocol) et Megaco. Enfin, la technologie des passerelles résidentielles doit prendre en charge une large gamme de ports vocaux et d'algorithmes de compression vocale.
Outre ces composants clés de connectivité et de technologie vocale, les passerelles résidentielles doivent répondre à des exigences complexes de qualité de service (QoS) et de gestion du trafic multicouche (pontage au niveau 2 et routage au niveau 3) afin de diffuser un contenu vidéo de haute qualité. Pour répondre aux futurs besoins en matière de stockage multimédia, notamment pour les services nPVR, les passerelles doivent offrir diverses options de stockage avec un logiciel de gestion de contenu associé.
Face à l'immense volume de contenu transitant par les passerelles résidentielles, les fournisseurs d'accès à Internet exigent un cadre de sécurité robuste. Ces passerelles doivent intégrer des technologies de chiffrement/déchiffrement des paquets, telles que l'AES (Advanced Encryption Standard) ou le DES (Data Encryption Standard), ainsi que des mécanismes d'échange de clés critiques comme l'IKE (Internet Key Exchange). Elles doivent également prendre en charge la terminaison IPsec pour les réseaux privés virtuels (VPN), les VPN de couche application (SSL, Secure Sockets Layer), l'inspection approfondie des paquets pour permettre les services de détection d'intrusion (IDS), et des pare-feu avancés. Ces fonctionnalités de sécurité ont des implications tant sur le matériel que sur le logiciel des systèmes de passerelles résidentielles.
L'exigence la plus critique pour toute passerelle résidentielle est sans doute la facilité de gestion des appareils. L'autoconfiguration, la configuration à distance et la gestion doivent être intégrées pour garantir la continuité de service et le respect des accords de niveau de service (SLA), car les passerelles résidentielles sont essentielles à la réussite des fournisseurs d'accès Internet (FAI) dans la fourniture de services IP. Pour gérer efficacement les passerelles résidentielles et assurer une fourniture de service fiable, les FAI doivent intégrer un cadre de gestion tel que la norme TR 69 du DSL Forum.
Il est également essentiel que les investissements dans la conception et le développement de logiciels et de matériels puissent être exploités sur différents réseaux d'accès, notamment ADSL2/2+, VDSL2, EPON et GPON.
Une architecture de processeur capable de gérer de telles bandes passantes sans compromettre les performances de commutation et de routage pour les interfaces filaires et sans fil, ainsi que pour la transmission de données sécurisée et non sécurisée, permet aux concepteurs de systèmes de pérenniser les passerelles. Étant donné que différentes applications seront intégrées à chaque passerelle résidentielle, une architecture flexible intégrant des moteurs avancés de qualité de service (QoS) et de gestion du trafic, avec une capacité d'adaptation aux changements dynamiques de stratégie, garantit la fourniture de services critiques tels que la VoIP, la VoD, l'IPTV et les jeux en ligne sur le long terme.
L'évolution des exigences relatives aux passerelles résidentielles complexifie la conception des systèmes, exigeant des architectures de processeurs de passerelle flexibles et évolutives. Les processeurs de passerelle résidentiels actuels deviennent rapidement un composant nodal où convergent de multiples services applicatifs, le routage réseau, la sécurité des données, le stockage et les technologies d'interface réseau pour la diffusion de contenu à domicile. Par conséquent, une architecture de flux de données unifiée est nécessaire pour garantir l'intégration transparente des futures applications aux processeurs de passerelle résidentiels.
Modèle de système de distribution de services IP :
les passerelles résidentielles occupent une place centrale dans la distribution globale des services IP au sein du foyer numérique. Il est donc important que les conceptions système permettent une flexibilité répondant aux exigences fondamentales des services actuels, tout en étant adaptables pour prendre en charge de nouveaux services et évolutives pour gérer l'augmentation de la bande passante. Les systèmes de passerelle résidentiels de première génération pour le routage étaient construits autour de processeurs d'applications à usage général. Ceux-ci possédaient des architectures à plan unique dans lesquelles toutes les fonctions de traitement des paquets, les logiciels de contrôle et les agents spécifiques au service résidaient dans un processeur central.
Cependant, cette architecture est mal adaptée à la gestion des variations de trafic, telles que la commutation de paquets à la vitesse du réseau. Par exemple, un périphérique capable d'acheminer 100 Mbit/s de trafic avec des paquets volumineux pourrait avoir des difficultés à gérer 10 Mbit/s de petits paquets. Cette exigence est cruciale compte tenu des besoins des applications avec des tailles de paquets variables, et dans de nombreux cas, les petits paquets transactionnels sont sensibles au facteur temps.
Les processeurs généralistes et les architectures de contrôleurs d'interface réseau ne sont pas adaptés aux environnements à fort trafic, car la majeure partie du traitement nécessaire au routage des paquets est effectuée par un logiciel exécuté sur le processeur. Les processeurs généralistes sont conçus pour des environnements informatiques classiques. Un grand nombre de cycles sont consacrés à des tâches non liées au traitement des paquets. À mesure que le débit du trafic augmente, le temps entre les paquets diminue. Le processeur doit donc être capable d'effectuer la même fonction plus rapidement. Une autre difficulté réside dans la nécessité de gérer l'inspection approfondie des paquets pour répondre aux exigences de sécurité, qui imposent une qualité de service (QoS) pour différents types de paquets et pour la diffusion simultanée de contenu vidéo.
Si l'augmentation de la vitesse du processeur apporte une solution, elle ne résout pas tous les problèmes. En effet, le processeur n'est pas le seul composant impliqué dans le routage. Il gère également les autres responsabilités logicielles du système, notamment les processus applicatifs contrôlés par le client et les activités du plan de contrôle telles que les fonctions de gestion et d'exploitation. De plus, les besoins en puissance de traitement des nouveaux services sont difficiles à prévoir. Un modèle multiplan assure l'accélération du traitement des paquets nécessaire à l'augmentation de la bande passante d'accès au dernier kilomètre. Il fournit également un plan de service dédié où des moteurs dédiés prennent en charge des services spécifiques, tandis qu'un processeur central gère les fonctions de contrôle et d'administration.
Avec des fonctionnalités avancées telles que la traduction d'adresses réseau (NAT), le filtrage de paquets, les pare-feu dynamiques et les VPN offerts par la nouvelle génération de passerelles, la puissance de traitement requise pour chaque paquet peut augmenter considérablement. Concevoir une passerelle capable de répondre à ces exigences accrues est impossible avec la technologie monoprocesseur traditionnelle. Cette architecture de flux de données nécessite la séparation des agents de contrôle et d'application du chemin direct des données. La section suivante explore une solution différente utilisant une architecture multiplan qui répond à ce besoin spécifique.
La figure 1 présente un cadre conceptuel pour une architecture multiplan.
Blocs système et fonctionnels :
La figure 2 présente un modèle en couches des modules logiciels qui composent les passerelles résidentielles.
Du point de vue des fonctionnalités essentielles, les passerelles résidentielles de nouvelle génération doivent prendre en charge plusieurs fonctions clés. Celles-ci incluent :
Système d’exploitation de contrôle – Le secteur évolue vers des systèmes d’exploitation Linux embarqués à architecture ouverte. Toutefois, en fonction de l’expérience et de l’expertise acquises en matière de développement, d’autres systèmes d’exploitation temps réel sont fréquemment utilisés.
Infrastructure vocale – Celle-ci comprend les technologies de compression et de décompression vocales de la série ITU-G (G.711, G.729, etc.) combinées à l’annulation d’écho et à divers algorithmes spécifiques à la voix, tels que la détection de la hauteur tonale, la génération de bruit de confort et les mécanismes de gigue adaptative.
Technologies d’établissement d’appel – Les fournisseurs de services ont envisagé différentes technologies en fonction des types d’infrastructures de base qu’ils prennent en charge. Cependant, des initiatives récentes telles que l’IMS font du protocole SIP la technologie de référence pour l’établissement d’appel. Qualité de service
QoS) – Il s’agit d’une exigence fonctionnelle fondamentale pour la fourniture de services IP aux abonnés. La flexibilité et la configurabilité sont essentielles. Les fonctionnalités QoS doivent être implémentées à différents niveaux, notamment les couches physique, intermédiaire et liaison de données, ainsi que la couche réseau/routage. Ces technologies incluent DiffServ, IEEE 802.1P/Q, l'allocation de bande passante dédiée aux réseaux locaux virtuels (VLAN) et IEEE 802.11e, ainsi que le cadre QoS des réseaux sans fil 802.11.
La prise en charge du multicast est essentielle pour la fourniture de services émergents tels que la vidéo à la demande (VoD) et la télévision sur IP (IPTV).
La sécurité est un autre composant fonctionnel critique de la passerelle résidentielle. Plusieurs niveaux de sécurité doivent être mis en œuvre. Les passerelles résidentielles sont devenues de véritables systèmes convergents où convergent les interfaces de communication WAN du dernier kilomètre, les interfaces réseau domestiques et les interfaces sans fil. Toute communication par paquets sur ces interfaces représente une menace potentielle pour l'intégrité du contenu et des données. Par conséquent, plusieurs cadres de sécurité doivent être intégrés. La chaîne de valeur de la sécurité comprend la traduction d'adresses réseau (NAT), les pare-feu d'état, les contrôles d'accès, les VPN IP sécurisés, les VPN SSL, l'inspection approfondie des paquets (DPI) pour la détection et la prévention des intrusions, ainsi qu'un cadre de sécurité sans fil incluant l'accès protégé Wi-Fi (WPA) et l'authentification IEEE 802.1x. Une
interface de stockage et un logiciel de gestion de contenu associé permettent l'introduction d'un service d'enregistreur numérique personnel (PVR) en réseau dans un foyer connecté à plusieurs décodeurs.
Un logiciel de gestion système est nécessaire pour prendre en charge les fonctions intégrées de gestion à distance, de configuration et de surveillance du trafic, contribuant ainsi à garantir le respect des accords de niveau de service (SLA). Plusieurs cadres de gestion existent, notamment la norme TR 69 du DSL Forum, qui s'impose rapidement comme une technologie clé pour la gestion à distance. Ce cadre fournit également un modèle de gestion permettant aux opérateurs de réseau de gérer efficacement les systèmes finaux domestiques connectés à une passerelle résidentielle. Les canaux sans fil doivent également être gérés, car les réseaux domestiques sans fil peuvent aussi être utilisés pour la diffusion de contenu vidéo.
Les passerelles résidentielles sont devenues plus complexes, permettant aux fournisseurs de services de proposer efficacement des services de nouvelle génération et d'augmenter ainsi le revenu moyen par utilisateur (ARPU). Différentes technologies d'accès, combinées à diverses technologies de réseau domestique filaires et sans fil, permettent le développement de systèmes matériels de passerelles résidentielles suffisamment flexibles pour répondre aux besoins futurs en matière de fourniture de services.
Pour plus d'informations ou un devis
Auteur :
Sanjeev Challa, directeur technique, groupe Produits réseau, Ikanos Communications, Inc.
